面向机器人辅助外科手术的人体腿部建模与仿真技术研究

摘要

近年来，以计算机辅助医疗外科技术为主要研究内容的虚拟手术(VirtualSurgery)受到越来越多的学者和研究机构的关注，并在临床上得到了广泛的应用。课题结合国家863计划项目“远程医疗机器人关键技术与系统研发”和国家自然科学基金项目“机器人辅助骨外科系统建模与控制方法研究”，通过建立人体腿部的数字化模型来分析研究矫形外科手术中人体腿部的生物力学特性，从而为外科手术培训和手术预演的研究提供重要手段，以改进操作者的学习曲线，提高手术的成功率。
　　在介绍胫腓骨骨折复位牵引手术的机理和流程的基础上，对手术过程中涉及的腿部各组织进行分析。由解剖结构以及生物力学特性，确定在对抗牵引中起关键作用的骨骼和肌肉。为形态学三维重建以及有限元分析明确研究对象，简化分析模型。
　　根据腿部各组织的解剖学形态，对预处理后的CT图像进行分割和填充，并采用精确度高、运算量小的MarchingCubes三维重建算法实现腿部骨骼及皮肤组织的形态学三维重建。同时，为了适应有限元分析，在保证人体解剖学结构质量的同时，采用渐进网格折叠边简化算法来优化所建立的三维模型，降低模型冗余数据。
　　根据关键组织的三维重建结果，采用有限元方法自下到上的建立骨骼、皮肤和部分软组织的生物力学模型。针对CT图像无法精确重建肌肉的几何模型的问题，在充分考虑肌腱的生物力学特性，又体现肌纤维的微观解剖结构的基础上，提出一种新型的肌肉建模方法。最后，通过尸体标本实验获得的力位数据与有限元仿真数据的对比分析，证明建立的人体腿部生物力学模型的可信性。
　　针对有限元模型计算量大、实时性差、难以与现有系统集成等缺点，采用神经网络算法，实现从有限元模型到BP神经网络模型的映射，并与已有基于JAVA/JAVA3D开发的机器人仿真模型进行无缝集成。最终，建立机器人辅助骨外科手术仿真实验平台，对模型的正确性及系统实时性进行验证。

目录

面向机器人辅助外科手术的人体腿部建模与仿真技术研究

RESEARCH ON THE MODELING AND SIMULATION THECHNOLOGY OF HUMAN LEG FOR ROBOT ASSISTED ORTHOPEDIC SURGERY

摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1 课题背景

1.2 虚拟手术系统的发展概况

1.3 人体形态学三维重建的国内外研究现状

1.4 人体仿真技术国内外研究现状

1.5 本文主要研究内容

第2章 人体腿部解剖结构及生物力学特性分析

2.1 引言

2.2 复位手术

2.2.1 牵引原理

2.2.2 牵引流程

2.3 腿部生物力学

2.4 腿部的解剖结构

2.4.1 腿部骨骼的解剖结构

2.4.2 腿部肌肉的解剖结构

2.5 本章小结

第3章 基于CT图像的人体腿部三维重建

3.1 引言

3.2 图像预处理

3.2.1 对比度增强

3.2.2 图像填充

3.2.3 图像分割

3.3 Marching Cubes三维重建算法

3.3.1 三维体素模型

3.3.2 三维体素中等值面剖分方式的确定

3.3.3 MC法抽取等值面的算法流程

3.4 模型简化算法

3.4.1 算法原理

3.4.2 模型简化结果

3.5 本章小结

第4章 基于有限元法的人体腿部生物力学建模

4.1 引言

4.2 有限元材料模型的基本理论及有限元软件

4.2.1 各向同性线弹性模型

4.2.2 非线性弹性模型

4.2.3 有限元软件

4.3 人体腿部有限元模型的建立

4.3.1 骨骼有限元模型

4.3.2 肌肉有限元模型

4.3.3 其他软组织有限元模型

4.4 有限元模型验证

4.4.1 边界和载荷条件

4.4.2 实验结果

4.4.3 实验结论

4.5 本章小结

第5章 基于神经网络的虚拟手术实时仿真

5.1 引言

5.2 基于神经网络的生物力学模型

5.2.1 神经网络的选择

5.2.2 BP神经网络的设计和仿真

5.3 系统集成

5.4 实时力反馈实验

5.5 实验结果分析

5.6 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书

致谢